新型时差法超声波流量计

关法、 噪声法、 波束偏移法等， 其 中 时 差 法 的 应 用 最 广 泛。 时 差 法又可以细分为单脉冲和多脉 冲 法， 目前由于传统设计思想的 限制， 多脉冲法很 少 被 使 用， 但多脉冲法对于提高精度和增强
［ )］ 。介 绍 一 种 多 脉 冲 时 差 法 超 声 抗干扰等方面 有 很 好 的 作 用
由于 6,+ 最大供电电压为 , . / 2， 而系统中还使用一些 1 2 芯片， 如 *+,- ， 对 :8>-,- ， 5"- 等。 *+,- 兼容 , . / 2 和 1 2 电压， 于 1 2 模块向 , . / 2 模 块 输 出 信 号 时， 可以通过简单的电阻分 压来实现电平匹配， 而由 ,./ 2 模块至 1 2 模块的信号则需要
［ #］ 看门狗等外 围 芯 片 ， 提高了系统的稳定性与可 扩 ;+,、 +;,、
靠性。
第A期
孟华等： 新型时差法超声波流量计
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（ 简 称 *+,- ） ， 完成系统时钟信号的同 !"#$ 采用 %&’#()*+,步、 数字单稳态触发器、 超声波退 耦 脉 冲 计 数 器、 ,./ 0 1 2 电平 的转换等工作。 数字时间转换模块 对 于 整 个 测 量 系 统 是 至 关 重 要 的， 3$! （ 简称 5"-） 的 精 度 高、 封 装 小， 具 有 高 速 脉 冲 发 生 器， 停 4 5"止信号使能， 温度 测 量 和 时 钟 控 制 功 能， 特别适合于超声波流 量和热量测量方面的应用。 超声波收发模 块 采 用 了 有 效 的 初 级、 次 级 放 大 滤 波 网 络， 可实现自动增益放大功能。 输入输出模块由键 盘、 #!$ 显 示 模 块、 6 0 -+ 78 电 流 信 号 输出和 9( 4 -,- 串口输出模块构成。 #!$ 使用 !8*--,-8* 图形 点阵模块， 兼容 , . / 2 电压， 由 :("6,+;*11 （ 后 面 简 称 6,+ ） 直接 控制。 6 0 -+ 78 电流输出通过 6,+ 片内的 $8! 和外扩电压 < 电 流变换器 8$/=6 来实现。使用 :8>-,- 芯片实现与上位机的通 信， 用来上传实时测量数据。 !"! #$%& 模块实现 由图 - 可以看出 *+,- 是 整 个 系 统 最 重 要 的 通 信 枢 纽， 成 为传播 时 间 测 量 的 重 要 通 道。 图 , 为 !"#$ 内 部 的 结 构 框 图。
基金项目： 辽宁省自然科学基金资助项目 （ !"#$"%"） 收稿日期： !""& ’ $$ ’ "% 收修改稿日期： !""( ’ ") ’ !$
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模块介绍与芯片选择 完 /,S 模 块 由 /0.1)"2$## 及 其 片 内 的 多 功 能 模 块 组 成，
（$）
成数据采集、 数 据 处 理、 系 统 调 控 等 主 要 工 作。 /0.1)"2$## 是 拥 有 丰 富 的 片 上 外 围 芯 片， 系统无需外 $& 位超低功耗单片机，
可略去， 故时 差 法 的 流 速 公 式 由于 ! ! KP4! ! 与 " ! 相比很小， 为 !W $ 系统硬件设计 系统硬件结构 可 以 分 成 # 个 模 块： /,S 模 块、 ,.6+ 模 块、 时间数字转换模块、 超声波收 发 模 块 和 输 入 输 出 模 块。 系 统 硬 件结构框图如图 ! 所示。 " ! IA8 ! ・ $ !# ! （1）
的仪表参数等， 然 后 进 入 主 程 序 模 块 的 等 待 状 态， 在这一状态 中程序不断扫描 键 盘， 一 旦 接 收 到 合 法 的 命 令 代 码， 就根据该 命令跳转到相 应 的 子 程 序 模 块。 如 果 该 命 令 是 设 置 参 数 或 者 向下位机发送安装、 调试指令等， 则 在 执 行 完 指 令 后， 保存好数 据并显示相应的 结 果， 然 后 跳 回 监 控 模 块 的 等 待 模 式， 继续等 待接收用户指令。如果用户输入 的 是 测 量 命 令， 这里包括校零 和各种显示模式 例 如 显 示 瞬 时 流 速、 瞬 时 流 量、 正负累计流量 等， 则每次测量完毕、 处理好数据 并 显 示 结 果， 跳回到监控模块 后， 监控模块会继续控制主程序进入测量模式， （下转第 -A 页）
图) 接收波形 图( 一组有相位变化的脉冲串
* 的 ! 时间之后就有一个从低电平到 高 电 平 的 上 升 沿， 而对于相位翻 设触发脉冲的频率为 ! ， 则相位相同的脉冲序列， 相隔 , 的 时 间 才 会 出 现 上 升 沿， 所以只要将单稳 -! , * 之间， 便会从一组脉冲序列中 态触发器的时间常数设在 0 ! -! 捕获到这个相位翻转点。 转点而言， 将需要 -.-., 超声波退耦合脉冲定时器
［ $］ 液体和气体的计量 。 ［ !］ 超声波流量测 量 按 原 理 分 为 时 差 法、 多普勒效应法 、 相
超声波逆流时的传播时间为 $! W 传播时间差 !$ 为 !$ W $ ! ’ $ $ W ! #! KP4 ! （ " ! ’ ! ! KP4! !） 438 ! （)） # % 438 ! " ’ ! KP4 ! （!）
当高频脉冲信号经过非线性 信 道 后 会 产 生 波 形 畸 变 现 象， 脉冲串始端和尾部被展宽， 失真 很 大， 但 中 间 部 分 的 变 化 较 小， 所以可以挑选脉 冲 串 中 间 相 对 失 真 较 小 的 部 分 进 行 时 间 差 测 量。具体办法如下： 5"- 内部的触发脉冲 发 生 器 可 以 发 射 最 多 *1 个 任 意 相 位 的脉冲串，每一个脉冲的相位既可以是 + 也 可 以 是 * ， 由 软 件 设置，像图 6 一样产生一组发射脉冲串，从第 6 个脉冲开始翻 转相位，这样将 得 到 一 个 相 对 较 长 时 间 的 低 电 平 状 态， 这 段 低电平时间比其 他 脉 冲 之 间 的 低 电 平 时 间 长 出 * 倍， 这 种 现 象可以通过某一确定时间常数的单稳态触发器检测到。
发射信号功率较大， 通过电路 和 声 路 都 可 以 耦 合 到 接 收 电 接收波形前面幅度很大的脉冲串就是耦合 路上， 如图 1 所示， 过来的发波干扰。
对于这种情况， 通 过 退 耦 合 脉 冲 定 时 器， 使数字单稳态触 发器的使能信号得到相应的延 时， 就可以消除耦合脉冲对收波 的影响。 -.-.6 , . / 0 1 2 电平的转换
!""( 年 第<期
仪 表 技 术 与 传 感 器
784IJ@GC8I *CKL83M@C A8O 0C84PJ
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新型时差法超声波流量计
孟 华， 闫 菲， 李明伟
!!"#$%） （大连理工大学电子与信息工程学院， 辽宁大连
摘要： 结合时差法超声波 流 量 计 的 基 本 原 理， 提 出 了 一 种 多 脉 冲 法 的 设 计 方 案。 选 用 了 时 间 数 字 转 换 芯 片 *+, ’ 介绍了时差法超声波流量计的测量原理， 阐述了测量系统的组成及软 -.! 、 /0.1)"2$## 单片机和 345607$")! ,.6+ 等芯片， 硬件设计， 详细分析了 345607$")! 内部 各 组 成 模 块 和 设 计 原 理； 得 到 了 较 好 的 实 验 结 果， 测量结果波动的峰峰值不超过 精度高于 $ 9 。 ! 84， ! 4 内可以跟上流速变化， 关键词： 超声波； 流量计； 多脉冲时差法； *+, ’ -.! 中图分类号： *.!$& : $ 文献标识码： ; 文章编号： （!""(） $""! ’ $<1$ "< ’ ""$< ’ "!
［ 1］ 的系统参数 、 程序运行中所需的 常 数 和 先 前 工 作 过 程 中 设 置
-.-.*
时钟同步模块
数字电路的运行 是 由 时 钟 来 推 动 的， 时 钟 信 号 不 稳 定， 对 于传播时间的测量将会有非常大的影响。 5"- 测量时间的有效 值为 1+ ’&， 精度非常高， 但最终时间差的测量精度远远达不到 这么高， 实际精度 是 由 送 至 5"- 的 (?@’* 引 脚 的 使 能 脉 冲 分 辨 率决定的。使能 脉 冲 通 过 *+,- 送 至 (?@’* ， 所以整个系统由同 一时钟推动， 这样可以避免由于 时 钟 信 号 不 同 步 而 带 来 的 测 量 误差。 -.-.数字单稳态触发器
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@T9<VHW8T< 58Y=TGZH8 ;T: ’8T9UV 程序使用 !"# $ % 的通 用 串 口 控 件 &’"(&&)* $ ("+ 来 对 发 " 结束语
波流量计的设计， 并详细说明了 如 何 从 多 脉 冲 解 决 方 案 中 实 现
［ 1］ 时间差的测量 。
Baidu Nhomakorabea
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时差法超声波流量计原理简介 时差法测量的基本原理如图 $ 所示。
图!
时差法测量的基本原理
图$
硬件结构框图
设流体的流速为 ! ， 声 速 为 "， 管 道 直 径 为 #， 管道与超声 波传播方向的夹角为 !， 则超声波顺流时的传播时间为 # % 438 ! $$ W " X ! KP4 !
图’ #$%& 内部结构框图
无通 *+,- 进 行 转 换。实 践 证 明 这 样 的 电 平 匹 配 方 案 运 行 稳 定， 信失败现象。 ’ 系统软件设计 系统软件主要包括 以 下 部 分： 初 始 化 模 块、 5"- 控 制 模 块、 监控模块、 参数 设 置 模 块、 安 装 调 试 模 块、 数 据 处 理 模 块、 定时 器模块、 其中监控模块起到对整个系统的调 #!$ 显示模 块 等， 控作用， 它包括用 户 命 令 接 收 模 块 和 命 令 判 断 模 块， 负责接收 用户命令， 并根据命令调用相应的子程序。 ’"* 系统主程序设计 系统上电后首先执行初 始 化 操 作， 包 括 初 始 化 6,+ 单 片 机
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